Summary
Vi viser kontrollert mønster transformasjon av hevelse gel rør av elastisk ustabilitet. En enkel projeksjon micro stereo-litografi oppsett er bygget ved hjelp av en off-the-sokkel digitale data projektor å dikte tredimensjonale polymere strukturer i et lag-på-lag mote. Hevelse hydrogel rør under mekanisk begrensning vise forskjellige omkrets knekking moduser avhengig av dimensjon.
Abstract
Knekking er en klassisk tema i mekanikk. Mens knekking har lenge blitt studert som en av de viktigste strukturelle feilmodi 1, har det nylig trukket ny oppmerksomhet som en unik mekanisme for mønsteret transformasjon. Naturen er full av slike eksempler der et vell av eksotiske mønstre dannes gjennom mekanisk ustabilitet 2-5. Inspirert av denne elegante mekanisme, har mange studier vist etablering og transformasjon av mønstre ved hjelp av myke materialer som elastomerer og hydrogeler 6-11. Hevelse gels er av spesiell interesse fordi de kan spontant utløse mekanisk ustabilitet å lage ulike mønstre uten behov for ekstern kraft 6-10. Nylig har vi rapportert demonstrasjon av full kontroll over knekking mønster av mikro-skalert rørformede gels med projeksjon mikro-stereolitografi (PμSL), en tre-dimensjonale (3D) produksjonsteknologien i stand til raskt å konvertere datagenererte 3D-modeller into fysiske gjenstander med høy oppløsning 12,13. Her presenterer vi en enkel metode for å bygge opp et forenklet PμSL system ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig digital dataprojektor å studere hevelse-indusert knekking ustabilitet for kontrollert mønster transformasjon.
En enkel desktop 3D printer er bygget ved hjelp av en off-the-sokkel digitale data projektor og enkle optiske komponenter som en konveks linse og et speil 14. Tverrsnitt bilder utvunnet fra en 3D solid modell er projisert på det fotofølsomme harpiksoverflaten i sekvens, polymerisere flytende harpiks i en ønsket 3D solid struktur i en lag-for-lag mote. Selv med denne enkle konfigurasjon og enkel prosess, kan vilkårlige 3D-objekter lett fabrikkert med sub-100 mikrometer oppløsning.
Dette skrivebordet 3D printer har potensial i studiet av mykt materiale mekanikk ved å tilby en flott mulighet til å utforske ulike 3D geometrier. Vi bruker dette systemet til fabricaTe rørformet formet hydrogel struktur med forskjellige dimensjoner. Festet på bunnen til substratet, utvikler den rørformede gel inhomogene stress under hevelse, som gir opphav til knekking ustabilitet. Ulike bølgede mønstre vises langs omkretsen av røret når gelen strukturer gjennomgå knekning. Eksperiment viser at omkrets knekking av ønsket modus kan opprettes på en kontrollert måte. Mønster transformasjon av tre-dimensjonalt strukturert rørformede gels har betydelig implikasjon ikke bare i mekanikk og materialvitenskap, men også i mange andre nye felt som tunbare matamaterials.
Protocol
1. Utarbeidelse av forpolymer Solution
- Mix poly (etylenglykol) diacrylate (PEG-DA) (gjennomsnittlig molekylvekt ~ 575, Sigma-Aldrich) og poly (etylenglykol) (PEG) (gjennomsnittlig molekylvekt ~ 200, Sigma-Aldrich) i 01:02 vektforhold.
- Legg 0,67% vekt. foto-initiator (Phenylbis (2,4,6-trimetylbenzoyl) phosphine oksid, Sigma-Aldrich). Løsningen bør holdes i mørke omgivelser fra dette punktet.
- Legg 0,05% vekt. foto-absorber (Sudan I, Sigma-Aldrich).
- Bland oppløsningen i 24 timer ved romtemperatur ved hjelp av en magnetrører.
2. Sette opp en Desktop 3D skriver ved å bruke en digital data projektor
- Plasser en digital data projektoren på et flatt og stabilt posisjon, og koble den til en datamaskin med Microsoft PowerPoint installert.
- Plasser en konveks linse rett foran strålen utgang linsen på digital projektor. Velg en konveks linse å gjøre fokalplanet ca 10 cm fra proprojektoren. (Optisk oppløsning blir mindre for et objektiv med kortere brennvidde, men man trenger å reservere plass for optiske komponenter.)
- Plasser en speil etter den konvekse linsen på strålebanen ved 45 ° vinkel for å lede strålen rett ned.
- Plassere en prøve holderen på fokusplanet av det projiserte bjelken. Prøveholderen skal være festet i en lineær trinn ved hvilken den vertikale posisjonen til prøveholderen styres.
- Plasser en harpiks bad under prøveholderen.
3. Design og fabrikasjon av Gel Tubes
- Bestem diameter, veggtykkelse, og høyde av gelen røret skal fabrikkeres.
- Tegn tverrsnitt bilder for gel røret. Bildene skal være i hvit med svart bakgrunn. Sett disse bilde i Microsoft PowerPoint-lysbilder.
- Start slideshow i Microsoft PowerPoint og prosjektet noe bilde. Plasser prøveholderen ved fokalplanet ved å justere den vertikale posisjon ved hjelp ATTverket scenen.
- Bytt til en "dummy" svart bilde, slik at det ikke blir noen uønsket polymerisasjon mens du setter prepolymer løsning.
- Hell prepolymer løsning harpiks bad. Fylle bad inntil oppløsningen litt dekker prøveholderen. Nå er det klart for print 3D-objekt.
- Bytt til lysbildet som inneholder den første tverrsnitts-bilde av gelen røret å polymerisere det første laget. Hold projisere bildet for 8 sek og gå tilbake til "blackout" slide.
- Roter knotten på den lineære scenen med ¼ omdreining (~ 160 mikrometer) for å senke prøveholderen. Nå fersk harpiks flyter i å dekke det polymeriserte første laget.
- Projisere tverrsnittsriss bildet igjen for å polymerisere andre lag på toppen av en fortsetter. Gjenta trinn 03.06 til 03.08 frem til gel tube ønsket høyde er fabrikkert.
- Når alle lagene er ferdig, løfter prøveholderen ut av prepolymeren løsning, og hente den fabrikkerte prøven forsiktig med en barberhøvel blade.
- Skyll prøven i aceton for ~ 3 timer, og deretter la det tørke for ~ 1 time.
4. Hevelse eksperiment for foreskrevet mønster Stiftelse ved Elastic Ustabilitet
- Forbered vann-olje dual layer væske i en gjennomsiktig glass parabolen.
- Fest den tørre prøven på et utvalg holder med superlim.
- Vend prøven holderen slik at prøven er opp ned. Fordyp prøven i vann-olje flytende bad. Tilnærming prøven til vann-olje-grensesnittet fra oljelaget. Prøven begynner å svelle når prøven berører vannoverflaten mens basen substrat delen hvor gel tube ble løst bodde i øverste oljelag. På denne måten kan vann diffundere inn i rørveggen slik at prøven svelle før begrensende basen relaxes ved fukting. Overvåke mønsteret endres som gel tube swells med et digitalt kamera.
Representative Results
En enkel PμSL systemet med en off-the-sokkel digitale dataprojektor er vist i fig 1. En konveks linse med en brennvidde på 75 mm konsentrerer strålen i små belysning areal på 2 cm med 2 cm. Resulterer i planet optisk oppløsning er ca 45 mikrometer. Vertikal oppløsning bestemmes av presisjon nivået av den lineære fasen. Lagtykkelse av strukturene som er laget for denne studien er 160 um. Hvert lag ble polymerisert for 8 sek lys belysning. Et representativt 3D struktur fabrikkert av systemet er vist i figur 1D. Dette objekter består av 58 lag med PEGDA.
Vi forberedt foto-helbredelig PEGDA hydrogel. Lav tverrbinding, derfor stor hevelse, av PEGDA hydrogel ble oppnådd ved å legge til ikke-tverrbindende PEG inn prepolymer løsning. Lengde-messig hevelse ratio av det resulterende PEGDA hydrogel er 1,5, som tilsvarer høyere enn 300% volumetrisk ekspansjon.
> Et sett med PEGDA hydrogel rør ble utformet og fabrikkert basert på vår teori 12. Vi plassert en prøve opp ned og satt i badekaret med vann dekket med oljelaget på toppen som vist i fig 2A. Avhengig dimensjonale parametere, sirkulære rør enten stabil eller transformeres til en bølget mønster som vist i figur 2B. Det brede utvalget av hevelse mønster av forskjellige prøver ble tatt med et digitalt kamera og presentert i figur 3A.
Figur 1. En stasjonær projeksjon mikro-stereolitografi system (a) skjematisk fremstilling (b) faktisk system (c) nærbilde av komponenter (d) representative 3D strukturer. Klikk her for å se større figur .
Figur 2. (A) eksperimentelle oppsettet for hydrogel tube hevelse (b) begrenset hydrogel tube forvandles til ulike mønstre. Målestokk viser 5 mm.
Figur 3. (A) Mønstre dannet i hevelse eksperiment. Vertikalaksen viser t / h (dermed stabilitet), og horisontale akse indikerer h / D (dermed knekking modus). Målestokk viser 5 mm. (B) Knekking modus avhenger bare av H / D. Eksperimentell resultat stemmer godt overens med teoretiske forutsigelser. Klikk her for å se større figur .
| Eksempel </ Strong> | D (mikrometer) | t (uM) | h (mikrometer) | |
| Jeg | jeg | 9300 ± 420 | 760 ± 40 | 840 ± 40 |
| ii | 9700 ± 420 | 1040 ± 40 | 1060 ± 40 | |
| iii | 9700 ± 420 | 1210 ± 40 | 1340 ± 40 | |
| iv | 9700 ± 420 | 1660 ± 40 | 1680 ± 40 | |
| II | jeg | 9000 ± 420 | 480 ± 40 | 880 ± 40 |
| ii | 9000 ± 420 | 1060 ± 40 | ||
| iii | 9500 ± 420 | 740 ± 40 | 1350 ± 40 | |
| iv | 9200 ± 420 | 970 ± 40 | 1650 ± 40 | |
| III | jeg | 8900 ± 420 | 160 ± 40 | 790 ± 40 |
| ii | 8900 ± 420 | 300 ± 40 | 1020 ± 40 | |
| iii | 9100 ± 420 | 380 ± 40 | 1330 ± 40 | |
| iv | 9000 ± 420 | 490 ± 40 | 1630 ± 40 | |
| IV | jeg | 8900 ± 420 | 140 ± 40 | 780 ± 40 |
| ii | 8800 ± 420 | 190 ± 40 | 1010 ± 40 | |
| iii | 9300 ± 420 | 230 ± 40 | 1340 ± 40 | |
| iv | 8900 ± 420 | 290 ± 40 | 1650 ± 40 | |
Tabell 1. Eksempel dimensjoner målt gjennom optisk mikroskop. Feil indikerer måleusikkerhet.
Discussion
I hevelse av tubulær hydrogel begrenset på substratet, avhenger stabiliteten bare på t / h og knekking modus bare avhenger h / D 12. Fire grupper av prøver (I-IV) med ulike nivåer av normaliserte tykkelse t / h ble fremstilt, med gruppe I blir tykkere og gruppe IV blir slankere. Hver gruppe består av fire prøver (i-iv) med forskjellige nivåer av normaliserte høyde h / D, med prøven i å være kortere og prøven iv være høyere. Dimensjonene til fabrikkerte prøvene er presentert i tabell 1. Gruppe I og II er utformet for å forbli stabil under hevelse, mens gruppe III og IV er utformet for å spenne og transformere ved svelling. For knekking prøver, Buckling modus skal avta med prøve høyde. Fig. 3A viser eksperimentelle resultat. Som teori forutsier, var prøvene i gruppe I og II stabil og forble sirkulære på hevelse, mens prøvene i gruppe III og IV alle gikk gjennom elastisk ustabilitet og buckled. Også, viste prøvene med samme h / D lik knekking modus. Figur 3B sammenligner eksperimentelt observert knekking moduser av prøvene i gruppe III og IV med teoretisk prediksjon. Vi kan se at prøver med samme h / D utgjøre den samme post-knekking mønster uavhengig av tykkelsen, og at eksperimentelle resultater stemmer godt med teorien.
Vi presenterer hvordan å bygge opp en enkel desktop 3D-utskrift system ved hjelp av en kommersielt tilgjengelig digital data projektor. Den foreslåtte tilnærmingen avhengig photocuring av polymer til construct 3D strukturer, og derfor kan eventuelle photocurable polymerer også brukes generelt, så langt som fotoinitiator har hensiktsmessig absorbansen i synlige bølgelengdeområdet. Oppmerksom på at mange kommersielt tilgjengelige fotoinitiatorer er designet for ultra-fiolett (UV) bølgelengder, men fotoinitiator brukt her har relativt høyere absorbans ved bølgelengder lengre enn 400 nm. Tilbyr en enkel og rask måte å dikte 3D-objekter, vil denne metoden finne mange programmer i ulike områder, inkludert myke materialer i mekanikk demonstrert her.
Disclosures
Ingen interessekonflikter erklært.
Acknowledgments
Forfatterne ønsker å takke Joseph Muskin og Matthew Ragusa ved University of Illinois i Urbana-Champaign for å gi cross-sectional bilder for 3D-strukturer som er vist i figur 1D.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Poly(ethylene glycol) diacrylate | Sigma-Aldrich | 437441 | Mw~575 |
| Poly(ethylene glycol) | Sigma-Aldrich | P3015 | Mw~200 |
| phenylbis(2,4,6-trimethylbenzoyl) phosphine oxide | Sigma-Aldrich | 511447 | Photo-initiator |
| Sudan I | Sigma-Aldrich | 103624 | Photo-absorber |
| Digital data projector | Viewsonic | PJD6221 | |
| Convex lens | Thorlabs | LA1145 | f = 75.0 mm |
| Mirror | 4" silicon wafer | ||
| Manual stage | Velmex | A2506DE-S2.5 |
References
- Timoshenko, S. P., Gere, J. M. Theory of Elastic Stability. , McGraw-Hill. (1961).
- Sharon, E., Marder, M., Swinney, H. L. Leaves Flowers and Garbage Bags: Making Waves. American Scientist. 92, 254-261 (2004).
- Kücken, M., Newell, A. C. Fingerprint formation. Journal of Theoretical Biology. 235, 71-83 (2005).
- Liang, H., Mahadevan, L. The shape of a long leaf. Proceedings of the National Academy of Sciences. 106, 22049-22054 (2009).
- Bayer, S. A., Altman, J. The human brain during the second trimester. , Taylor & Francis. (2005).
- Trujillo, V., Kim, J., Hayward, R. C. Creasing instability of surface-attached hydrogels. Soft Matter. 4, 564 (2008).
- Breid, D., Crosby, A. J. Effect of stress state on wrinkle morphology. Soft Matter. 7, 4490 (2011).
- Mora, T., Boudaoud, A. Buckling of swelling gels. The European Physical Journal E. 20, 119-124 (2006).
- DuPont, S. J., Cates, R. S., Stroot, P. G., Toomey, R. Swelling-induced instabilities in microscale, surface-confined poly(N-isopropylacryamide) hydrogels. Soft Matter. 6, 3876-3882 (2010).
- Dervaux, J., Couder, Y., Guedeau-Boudeville, M. -A., Ben Amar, M. Shape Transition in Artificial Tumors: From Smooth Buckles to Singular Creases. Physical Review Letters. 107, 018103 (2011).
- Jang, J. -H., Koh, C. Y., Bertoldi, K., Boyce, M. C., Thomas, E. L. Combining Pattern Instability and Shape-Memory Hysteresis for Phononic Switching. Nano Letters. 9, 2113-2119 (2009).
- Lee, H., Zhang, J., Jiang, H., Fang, N. X. Prescribed Pattern Transformation in Swelling Gel Tubes by Elastic Instability. Physical Review Letters. 108, 214304 (2012).
- Sun, C., Fang, N., Wu, D. M., Zhang, X. Projection micro-stereolithography using digital micro-mirror dynamic mask. Sensors and Actuators A: Physical. 121, 113-120 (2005).
- Muskin, J., Ragusa, M., Gelsthorpe, T. Three-Dimensional Printing Using a Photoinitiated Polymer. Journal of Chemical Education. 87, 512-514 (2010).
